直流线路导线截面及分裂方式对电场效应的影响研究

孙 涛，朱任翔，高 振，杨 林

（1.国家电网公司建设部，北京 100031；2.西北电力设计院，西安 710075）

0 引言

超高压直流线路架线工程投资一般占本体投资的30%左右，再加上导线方案变化引起的杆塔和基础工程量的变化，其对整个工程的造价影响是极其巨大的，直接关系到整个线路工程的建设费用以及建成后的技术特性和运行成本，所以在整个输电线路的技术经济比较中，应该对导线的截面和分裂型式进行充分的技术经济比较，推荐出满足技术要求而且经济合理的导线截面和分裂型式[1]。

输电线路电场效应，如静电场、合成场强、离子流密度，对于输电线路导线选型及分裂型式的选择具有重要参考价值[2～8]。本文详细分析了国内主要输电线路导线的电场效应，为直流工程输电线路导线选型提供了依据。

1 电场效应

1.1 表征参数

高压直流输电线路线下的合成电场普遍高于同一电压等级的交流线路线下电场，不能把直流电场和交流电场等同起来，因为在正常运行的直流输电线路下，没有通过电容耦合的感应现象，在相同的电场下两者产生的效应也是不同的。直流电场效应主要由以下2种表征参数来定量表示。

1） 合成场强。直流输电线路下的空间电场是由2个部分合成的，一部分是由导线所带电荷产生的静电场，通常又称之为标称电场；另一部分是由空间电荷产生的电场。

2） 离子流密度。在电场的作用下，空间电荷不断向地面移动，地面单位面积所接收到的电流称为离子流密度。

1.2 各国合成场强和离子流密度限值

美国：在直流输电线路下可能有人员活动的地方，地面合成场强限值为30 kV/m，离子流密度限值为100 nA/m2。

加拿大：规定直流输电线路下最大合成场强为25 kV/m；走廊边沿的标称电场不超过2 kV/m；线下离子流密度限值为100 nA/m2。

巴西：伊泰普工程输电线路地面最大合成场强取40 kV/m。

前苏联：在设计±750 kV输电线路时规定了不同情况下的地面最大合成场强，无人居住时取25 kV/m，有人居住时取10 kV/m。

中国：在“直流导则”中规定，±500 kV直流线路下地面最大合成场强不应超过30 kV/m，最大离子电流密度不应超过100 nA/m2。

1.3 已建直流线路的合成场强和离子流密度

国内外几个大型直流输电线路的标称场强、合成场强和离子流密度参见表1。

表1 已建直流线路的合成场强和离子流密度一览表

2 合成场强和离子流密度计算

合成场强和离子流密度关系到线路附近居民的人身安全问题。美国Dalles试验中心曾经做过相关人体试验，试验表明，人在22 kV/m（±400 kV）电场下，头皮有轻微刺痛感觉；在27 kV/m（±500 kV）电场下，头发有刺激感，耳朵和毛发有轻微感觉；人体在32 kV/m（±600 kV）电场下，头皮有强烈的刺痛感觉。因此，将合成场强和离子流密度限定在一定的范围内对环保具有重要的意义[9-10]。

本文合成场强和离子流密度的计算以模拟试验结果为基础、具有一定可信度的EPRI EL-2257法[4]。

1）合成场强E（x）（kV/m）。

2）离子流密度J（x）。

一般非居民地区（如跨越农田）导线最小对地距离取16 m，在此条件下，计算海拔1 000 m地面标称场强、合成场强和离子流密度在晴天的计算结果见表2和图1、图2。

图1 海拔1 000 m时各种极导线地面合成电场强度横向分布（线高16 m）

表2 合成场强和离子流密度计算结果（海拔1 000 m，晴天）

图2 海拔1 000 m时各种极导线地面离子流密度横向分布（线高16 m）

在海拔高度1 000 m时，地面合成场强除极导线采用4分裂ACSR-720/50导线方案外，其余均满足晴天30 kV/m的限值要求；离子流密度除极导线采用4分裂ACSR-720/50和LGJ-800/55导线方案外，其余极导线组合均满足晴天100 nA/m2的限值要求。

由图3～6中给出的不同海拔高度下合成场强和最大离子流密度对比情况可以看出，海拔高度和极导线高度对地面合成电场强度、离子流密度的影响较大。地面合成电场强度随海拔高度每升高1 000 m最大增加1～3 kV/m，离子流密度随海拔高度每升高1 000 m最大增加10～18 nA/m2；地面合成电场强度随极导线高度的增加-2 kV/m，离子流密度随极导线高度的增加-10～-18 nA/m2。因此，在满足地面合成电场强度、离子流密度限值要求条件下，极导线对地高度每增加1 m，导线可适用的海拔高度增加约1 000 m。

图3 不同海拔高度下地面最大合成电场强度（线高16 m）

图4 不同海拔高度下地面最大离子流密度（线高16 m）

图5 不同极导线高度下地面最大合成电场强度

图6 不同极导线高度下地面最大离子流密度

随着海拔的增加，合成场强、离子流密度增大。在海拔高度2 000 m时，导线高度按照对地距离16 m计算，除4分裂720、800、900、1 000截面，5分裂630截面，6分裂500截面极导线方案外，其余均满足一般地区的地面合成电场强度、离子流密度限值要求；将导线对地距离增加到16 m，所有导线均满足限值要求。因此在高海拔地区可采用增加导线对地距离、增大导线截面或增加分裂数以满足地面合成场强、离子流密度的限值要求。

3 结论和建议

直流输电线路下空间场强的大小，除与所加电压有关外，还与导线的布置形式、几何位置及其尺寸等因素有关。减小直流特高压输电线下空间场强可以通过以下方法实现。

1）调整极导线对地高度、相间距离、分裂导线结构尺寸、相导线的布置方式等来降低线路下的电场强度。在这几种方式中，要减小线下空间场强，以适当增加导线对地高度最为有效。靠减小极间距来减小场强，将受到绝缘配合和电晕损失的限制，而且极间距离对于地面合成场强和离子流密度的影响较小，不如适当增加导线对地高度显著；增加分裂导线数目虽能减小线下场强，但是如果分裂根数变化而分裂导线的总截面不变，分裂根数的变化对地面场强的影响很小。

2）在条件允许或必要的情况下，对直流特高压输电线路可采取局部屏蔽措施，以达到减小线下一定范围内空间电场强度的目的。

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